电介质（击穿）研究是否处于十字路口？其对技术创新的影响

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Is Dielectric (Breakdown) Research at a Crossroad? Its Impact on Technology Innovation

　　

摘要：

介质击穿（BD）不仅是作为电子电路/产品失效机制的一个重要技术关注点，而且在理解BD过程的物理本质方面具有重要的科学意义——该过程使绝缘体从初始状态转变为退化状态，最终转变为碎裂状态。尽管过去取得了许多进展，本文将讨论两个长期存在的问题：1）介电强度（EDS_AVA）及其与常规电学BD测量（EBD 和 VBD）之间的关系，以及2）面积依赖性BD。在本文中，我们表明 EBD 定义不明确，其厚度反比依赖性并不具有普适性。我们证明，电压至BD（VBD）是衡量介质质量的根本指标。通过厘清因果关系，我们解决了可靠性研究中与 EDS_AVA 以及EBD建模和测量相关的常见误解。另一方面，我们揭示，面积依赖性介质击穿——一种常被忽视的物理现象——自然发生在BD过程本身之中。通过回顾最近在反向和衰减面积依赖性BD方面的发现，我们展示了缺陷产生与湮灭之间的动态相互作用如何导致多样的BD面积标度方案，为未来电子技术路线图提供可扩展的解决方案。最后，我们结合这两个关键主题总结了当前对介质击穿的理解，并提出了未来研究方向。

一、引言

历史上，介质击穿（BD）一直是电子行业中一个主要的可靠性问题，因为它可能导致电路和微芯片的灾难性失效。过去30到40年间，在介质可靠性研究和开发方面的大量努力使得我们取得了巨大进展以应对这些挑战。这些进展包括表征BD事件的电学和物理本质，以及对BD模式和机制的更好理解，从而带来了一系列在可靠性评估和预测方面的创新与突破，具有高度的置信度。这些进步使得半导体行业能够继续在技术性能和功能集成方面增长，包括介质厚度缩微以及新介质的采用。已有若干综述文章[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]涵盖了这些可靠性主题，从渗流建模和BD的丝状特性厚度缩微，到新电压加速模型的开发，再到基于真实器件/电路的击穿后方法论，以及可靠性BD表征中变异性瓶颈的缓解方法。